51单片机实验开发板设计

东北石油大学课程设计2012年7月8日课程单片机课程设计题目51单片机实验开发板设计院系电气信息工程学院测控系专业班级测控09学生姓名学生学号指导教师东北石油大学课程设计任务书课程单片机课程设计题目51单片机实验开发板设计专业测控技术与仪器姓名学号一、任务设计一款基于PROTEUS7.2仿真软件实现的51单片机实验开发板。二、设计要求[1]该实验开发板力求单片机IO口分配合理，实验板硬件资源丰富。[2]外围电路设计合理，程序例程正确。[3]基本电路包括：单片机最小系统、8位流水灯电路、LED显示电路、蜂鸣器电路、键盘电路、1602及12864液晶显示电路。[4]提交设计报告、电路图及程序源码。三、参考资料[1]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安电子科技大学出版社,2003.[2]丁元杰.单片微机原理与应用[M].机械工业出版社,2006.[3]朱定华.单片微机原理及接口技术实验[M].北方交通大学出版社,2002.[4]付家才.单片机控制工程实践技术[M].化学工业出版社,2004.[5]杨丽凤,王艳秋,张军.单片机原理与接口技术[M].清华大学、北方交通大学出版社,2004.完成期限2012.6.29至2012.7.8指导教师专业负责人曹广华2012年6月29日51单片机实验开发板设计目录第1章绪论......................................................21.1单片机现状与发展...........................................21.2单片机的性能特点...........................................21.3本设计任务.................................................3第2章总体方案论证与设计........................................42.1电源.......................................................42.2显示功能方案...............................................42.3电位指示选择...............................................42.4总体硬件组成框图...........................................4第3章系统硬件设计.............................................63.1单片机最小系统.............................................63.2键盘模块设计...............................................73.3LED显示模块设计............................................73.4流水灯显示模块设计.........................................83.5发声模块设计...............................................93.6串口通信模块设计...........................................9第4章系统的软件设计...........................................104.1LED模块的程序设计..........................................104.2键盘模块的软件设计.........................................11第5章系统调试与测试结果分析...................................125.1使用的仪器仪表............................................125.2系统调试..................................................125.3测试结果..................................................13结论...........................................................14参考文献.........................................................15附录1程序......................................................1651单片机实验开发板设计第1章绪论由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS．51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于MCS．51系列单片机开发的产品越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。1.1单片机现状与发展单片机属于第四代微型计算机的一个重要分支。单片机是把中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM,定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的应用导致了控制领域的一场革命，是微控制技术逐步取代传统的硬件控制。近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。MCS-51系列中的一片89C51芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0-701C，军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65～125℃:工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40～+85C温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。1.2单片机的性能特点单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功51单片机实验开发板设计能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制的目的。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，加高温、强电磁干扰，甚至合有腐蚀性气体；在太空小工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力。因而，决定了单片机CPU与通用微机CPU具有小同的技术特征和发展方向。80C51系列新一代8位单片机的主要特点：①普遍采用CMOS工艺，除了具有节电运行模式和掉电数据保护功能外，整机功耗比采用HMOS工艺的80C51系列低。②片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化。该系列不同品种的片内程序存储器容量从4KB扩展到8KB、16KB，甚至32KB，数据存储器容量从128B扩展到512B。片内程序存储器类型不仅限于掩模ROM和EPROM，普遍采用OTPEPROM(一次性编程的EPR()M，简称TOPROM。③最高时钟频率从12MHZ提高到16MHZ、24MHZ、33MHZ，甚至40MHZ，指令执行时间大大缩短，增强了这些产品的实时处理能力。④工作电压低、范围宽(1．8V—6．oV)，可用电池供电，便于野外作业使用。⑤扩展了接口电路功能，如增加了高速I/O接口，扩展了I/O口引线数目。⑥部分型号增加了定时／计数器的个数，还扩展了定时／计数器的功能。⑦部分型号增加厂定时复位功能，提高了抗干扰能力。⑧强化并且完善了串行通信功能。⑨封装形式多样化，同一型号的CPU，具有多种封装形式，如PDIP封装、CDIP封装、PLCC(方形壁插塑封)、CLCC(方形壁插陶瓷封装)、PQFP(塑料方形四边引线扁平封装)，部分产品还采用了BGA(球形网格阵列)封装。1.3本设计任务本课题设计了一款单片机实验开发系统，该系统可以实现专业基础课、专业课(单片机原理与应用，单片机接口技术等)、课程设计和毕业设计的实验。实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的测试实验。本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。51单片机实验开发板设计第2章总体方案论证与设计单片机实验开发板是一个实际应用的系统，能够为相关专业的学生开设单片机实验提供支持。此实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的综合验证实验。本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。此实验板设计的功能如下：2.1电源方案一：变压器变压整流但这不仅体积大而且也很重，也不方便携带。方案二：采用平常生活中比较经常遇到的电源，如usb电源、电池等。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。2.2显示功能方案方案一：采用74ls138和74ls248分别驱动4个七段码共阴极led来显示，这样占用的i/o端口少，但显示的字符有限。方案二：采用分立元件加上拉电阻，不仅可以显示七段译码器的字符，还可以显示h（点）等其他的字符。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。2.3电位指示选择方案一：电压表精确度比较高显示直观，同时设计也比较复杂。方案二：逻辑电笔工作原理简单，体积小，并且该系统中大部分都是数字信号状态明显，所以采用逻辑电笔观察各点的电位更为直观。因此该系统采用逻辑电笔。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。2.4总体硬件组成框图系统设计以MCS-51系列单片机中8031，8051，89C51作为CPU进行系统扩展，将数据存储器、程序存储器、1/O口扩展、串行口通讯、LED显示、键盘与显示等多种功能模块集成于一体。系统硬件结构布局如图2-1所示：51单片机实验开发板设计图2-1总体硬件组成框图51单片机电源电路按键发声模块流水灯模块串行口模块LED显示模块51单片机实验开发板设计第3章系统硬件设计本论文设计的单片机实验开发板是以AT89S51作为主控制芯片，串口通信芯片MAX232、DB9插座、液晶显示器、按键开关等元器件组成，通过软硬件结合实现键盘扫描、液晶显示、数码显示、与上位机串行通信、I／O口扩展等功能。一方面，它能作为学生简单实验的工具，另一方面，它也是综合型单片机系统设计的基础，可扩展许多其它功能。3.1单片机最小系统本设计中采用AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3-1所示。图3-1单片机最小系统51单片机实验开发板设计3.2键盘模块设计键盘是人与AT89S51联系的重要手段，用于向CPU输入运行参数和控制系统的运行状态。键盘电路形式分为直接编码输入键盘和矩阵键盘。前者接口电路简单，一般应用于需要少量按键的控制系统。后者因占用FO引脚数少，常被按键较多的控制系